YK6500-2/1350 10kV IP54大型两极高速三相异步电动机的设计

【摘 要】本文介绍了YK6500-2/1350 10kV IP54大型高速三相异步电动机的设计过程，介绍了该类电机的性能参数和结构特点，并指出了在设计中所采取的关键措施。

【关键词】高速三相異步电动机;电磁设计;结构设计

引言

2019年笔者接到产品设计任务，要求设计YK6500-2/1350 10kV IP54大型高速三相异步电动机。工业用大中型高速电动机始终是行业内的难点产品，加之此台两极高速电动机功率较大，给设计带来了很大难度。为此，在设计时重点要合理的设计转子结构，满足电机安全稳定运行要求。

1.电动机基本技术参数

型号：YK6500-2/1350

额定电压：10kV

额定电流：434A

额定频率：50Hz

效率：97.2%

功率因数：0.89

最大转矩倍数：2.03

堵转转矩倍数：0.89

堵转电流倍数：4.47

2.电磁设计

该电机选择定子冲片外径φ1350mm，转子冲片外径φ650mm，铁芯总长1090mm，通风道数26，定子槽型选用开口槽，转子槽型选用凸型槽，以利用集肤效应使槽内导体有效高度较小，使转子起动电阻增加、槽漏抗减小，从而提高起动转矩，降低起动电流，获得满意的启动性能。在设计过程中，既要考虑兼顾电机各项性能指标要求，又要考虑成本，并且温升留有合理裕度。定子齿磁密1.51T，定子轭磁密1.49T，转子齿磁密1.52T，转子轭磁密1.46T，气隙磁密0.71T。

定子采用双层叠绕组，综合考虑削弱谐波和定子嵌线时工艺要求，节距取2/3极距，定子接线Y接。因定子电流较大，并联支路数选择2路。考虑经济性和电机散热要求，热负荷设计在3000附近。

3.结构设计

3.1总体结构

电动机结构形式为IM7311，主要由定子、转子、轴承、冷却器、底板等几大部分组成（见图1）。轴承和定子安装在底板上，由底板承担电机重量和运行扭矩，定子上安装有空-水冷却器，实现电机热交换。具有外形美观，噪声低、振动小，高效节能，运行稳定，安装、维护方便等优点。

3.2 定子结构

定子包括机座、定子铁芯、定子线圈等关键部分，机座由钢板焊接而成，保证了电机机械强度。定子采用内压装，径向通风道结构，在机座内叠片，用机座内筋板紧固，压装后，由定子压圈压紧。铁芯压紧后将固定片与机座壁板焊牢，然后进行嵌线、整浸。这种结构的优点是铁芯在机座内固定后，不再受下几道工序的影响而导致铁芯变形，并且铁芯压装好后，嵌线在机座内进行不易碰坏。

定子绕组为双层叠绕组，整个定子绕组采用VPI真空压力浸漆工艺，绕组端部和直线部位固化成整体。同时，浸渍漆充分占满槽内空间，提高散热性能。

3.3转子结构

转子是电机的旋转部件，电机额定转速达到2990r/min，在如此高转速下，转子各部件承受了巨大的离心力，因此转子结构的可靠性至关重要。转子包括转轴、转子铁芯、风扇，平衡环等。

3.3.1转轴

转轴在设计时，应从以下几个方面考虑：

（1）要有足够的强度。

（2）要有足够的刚度。即其挠度必须在合理的范围内。

（3）临界转速应避开额定转速，以免发生共振。

在设计转轴时，转轴材质使用优质45#锻钢，并经调质处理，满足强度要求。为保证电机运行的可靠性，异步电机总挠度不应超过电机气隙值的10%。经计算本电机转轴挠度设计为6.4%，符合规定之要求。本电动机转轴设计成了柔性轴，即一阶临界转速低于额定转速。为了避免电机工作时产生共振，临界转速应避开额定转速15%。经计算，本电机一阶临界转速为额定转速的74%，满足电机安全运行的要求。

3.3.2转子铁芯

转子铁芯由转子冲片叠置而成，经离心铸铝铸出槽内导条和铁芯两侧的端环，使转子铁芯成为一个坚实的整体。转子铁芯与转轴采用过盈配合，转子铁芯和转轴通过热套方式连接。转子铁芯设计有径向通风道，而转子冲片开有轴向通风孔，保证电机内部通风需求。为保证机械强度，转子冲片为整圆冲片。

由于两极电机转速高，转子所受离心力大，转子铁芯需计算离心应力，使其不超过限值。在计算时，我们将转子铁芯看做厚壁圆筒，根据厚壁圆筒的机械计算原理，我们可以得知：厚壁圆筒由自身离心力所引起的切向拉应力的最大值产生在其内圆表面上。其值为：

通过计算本电机转子铁芯所受应力最大值为162MPa，满足设计限值要求。

3.3.3转子风扇的设计

由于两极电机转子外径小、转速高，因此适宜选用轴流风扇。轴流风扇的特点是效率高、噪音低，气体通过轴流风扇时一般不改变运动方向，正好与转子通风槽管形成的“离心风扇”形成串联风扇，能够加强电机的冷却效果。风扇整体铸造而成，以保证机械强度和获得较好的性能。

4.结语

该电机装配完成后型式试验一次性合格，达到了设计预期，通过型式试验可以看出，本电机各项性能指标达到了设计预期。目前，该电机已交付用户使用，投入运行近一年以来，运行情况始终良好，各项性能指标均正常，产品质量受到了业主一致好评。此次YK6500-2/1350 10kV IP54大型两极高速三相异步电动机的设计成功，为公司打开了大功率高速电机的市场的同时也为制造大型高速电机积累了经验。

参考文献：

[1]陈世坤. 电机设计[M ]. 北京：机械工业出版社，2000.

[2]湘潭电机厂. 交流电机设计手册[M ]. 长沙：湖南人民出版社，1978.

作者简介：

张帆，（1994年7月--），男，汉族，籍贯：辽宁;学历：大学本科;职称：助理工程师;研究方向：电气。

（作者单位：泰豪沈阳电机有限公司）